前言
螺栓和螺母作为最常见的紧固件，目前在力学性能、规格、螺栓孔的设计尺寸、拧紧方式等方面都有不同的标准，这给设计和生产带来了便利。
但是，由于这些标准体系比较繁琐，标准比较分散，给设计和安装带来了相对的不便。
本文主要总结螺栓螺母的相关设计和安装问题，使螺栓螺母的设计和安装更加规范，最终保证产品质量。
01
螺栓螺母相关设计
1.1 线程的选择
对于公制螺纹，螺纹依据国家标准GB/T 192-2003《普通螺纹基本牙形》。 这种连接螺纹按螺距分为粗牙和细牙。
根据负载及其特点，粗牙和细牙的优点作为螺纹的选择列在下面。
一般设计常用粗牙螺纹； 对于薄壁件、振动冲击和动载荷、精密微调机构，一般采用细牙螺纹；
在高温零件和液压拉伸器安装的螺栓螺纹设计中，为便于拆卸，螺栓螺纹的大径、中径和小径一般设计为略小于6g公差尺寸直径相应的规格，而螺母的螺纹仍然采用6H公差，这样在螺栓和螺母配合时，间隙会相应增大，拆卸起来更容易。
1.2 孔径设计
1.2.1 螺栓通孔设计
螺栓通孔的设计主要是孔径的设计。 根据装配精度的不同，选择不同直径的螺栓孔尺寸。 螺栓孔径一般按GB/T 5277-1985《紧固件螺栓和螺钉通孔》中的中等装配精度设计。
由于安装孔尺寸小于相应标准螺栓六角头下圆角尺寸，安装时会产生干涉，因此螺栓通孔两端应倒角。
在机械等设备的装配过程中，很多螺栓头都采用加平垫圈或弹簧垫圈的方法。 /T 93-1987《标准弹簧垫圈》表明，六角头螺栓头部圆弧直径大于平垫圈或弹簧垫圈的内径，因此会发生干涉。
因此，在设计和安装时应避免采用上述组合结构，这在GB/T 1230-2006《钢结构用高强度垫圈》中有明确体现。 本标准中垫片采用内径倒角结构。 下表总结了螺栓通孔设计中容易出现的问题及解决方法。
不同的装配情况
容易出问题
解决方案
涉及的标准
中等装配精度设计
由于安装孔径小于对应标准螺栓六角头圆角，安装时容易干涉
螺栓通孔两端应倒角
GB/T 5277-1985《紧固件螺栓和螺孔》
机械和其他设备的组装过程
六角头螺栓头部圆弧直径大于平垫圈或弹垫圈的内径，安装时容易发生干涉
垫片采用内径倒角结构
GB/T 5782-2000《六角头螺栓》GB/T
97.1-2002《A级平垫》GB/T
93-1987《标准弹簧垫圈》GB/T
1230-2006《钢结构用高强度垫圈》
1.2.2 螺栓螺纹孔的设计
设计螺栓螺纹孔时，主要是螺纹孔的攻丝深度和钻孔深度。 根据不同的基材，同一螺纹的攻丝深度和钻孔深度不同。 设计时，螺纹孔的攻丝深度一般按以下公式计算：
式中：H1为螺纹孔的攻丝深度，mm； H——螺栓旋入螺纹孔的长度，mm； P为螺纹孔的螺距，mm。
螺纹孔的钻孔深度按以下公式计算：
式中：H2为螺纹孔的钻削深度，mm； D为螺纹孔的公称螺纹直径，mm。
为保证螺栓预紧并承受工作载荷，螺纹不脱扣，不同基材的螺栓旋入长度不同。
具体螺栓孔设计尺寸可参照JB/GQ 0126-1980《粗牙螺柱、螺钉旋入深度、攻丝深度和钻孔深度》和JB/ZQ 4247-2006《普通螺纹内外螺纹余量、余量》钻孔的深度，螺栓从螺母突出的末端长度”。
这两个标准对螺纹孔的攻丝深度、钻孔深度和剩余长度都有具体的规定。 一般设计中，螺栓螺纹突出螺母的长度一般为2～3牙，即螺距长度的2～3倍。
1.2.3螺栓孔（通孔或螺纹孔）的其他尺寸设计
螺栓轴线到零件边缘的距离一般按以下公式计算：
式中：e为螺栓轴线到零件边缘的距离，mm
02
预紧螺栓螺母
在设计中保证最终失效为螺栓断裂。 对于在弹性范围内的安装，一般采用极限拉力的62%作为安装力矩。
安装力矩可参照，计算最大轴向力值v=0.9，例如摩擦系数为0.12-0.18螺栓螺钉螺柱螺母，则按摩擦系数0.12计算。
然后根据公式计算最大安装力矩：
考虑最大 15% 的工具安装公差：
对于在屈服区内的安装，例如使用扭矩+旋转角度的方法。
03
双头螺栓的拧紧力矩
将螺柱植入机体时，为保证拆卸时螺母不松动，并保证螺柱与机体的垂直度，在植螺柱时必须施加一定的拧紧力矩进入机体。
查证国内无相关标准规范后，公司引进国外专利技术，根据《有导向端头螺栓图1》和无导向端头螺栓图2种子拧紧力矩的相关标准规范。进口技术要求（如下图3、4）。
图 1 带先导端的螺柱
图 2 不带导向端螺柱
图 3 带有先导端的螺柱的种子拧紧力矩
图 4 不带先导端的螺柱的种子拧紧扭矩
如果螺柱的长径比大于5，表中查得的拧紧力矩值可减少25%。 将螺柱植于机体时，也可在螺柱植端涂上螺纹胶，特别适用于不经常拆卸的场合。
04
螺栓和螺母材料设计要求
在螺栓螺母组合中，螺栓材料的强度一般高于配合螺母材料的强度，但在实际使用中，在过载情况下，总是希望螺栓先断裂，而不是螺栓或螺母先断裂跳闸（因为螺栓断裂会突然发生；
螺纹脱扣是逐渐发生的，因此很难发现，这会增加因螺栓或螺母失效而发生事故的风险），因此螺母材料的强度标准是设计中非常关键的问题。
当螺栓的拉力为F时，螺栓与螺母的有效旋合长度为L，假设螺栓的最小横截面直径为螺纹小径d1，则螺栓的拉应力和螺栓螺纹的剪力按相关理论计算。 螺母螺纹的剪应力和剪应力分别为：
式中：k1为螺栓、螺母的螺纹完整性系数，k2为螺母上螺纹受力的均匀系数。
通过以上公式计算：
按以上公式排列：[σ]
由于D2d1-2>1，取k1=0.87，k2=0.7，则螺栓的强度至少能满足：[σ]
因此，螺栓的材料强度至少可以比螺母的材料强度高1.46倍，不会出现螺母螺纹剥落现象。 这一点在实际螺栓螺母材料的选用中已经得到充分证明。 如8级螺母选用35号钢也能满足强度要求。
05
总结
后记
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